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9種儲能技術(shù)以及如何改變電網(wǎng)

可再生能源為電網(wǎng)遠離化石燃料和改變氣候的溫室氣體（GHGs）提供了最好的希望。風能和太陽能是主要的兩種可持續(xù)能源，然而無論是風能還是太陽能都有間歇性，如果要在電網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)揮核心作用必須通過電網(wǎng)儲能來增強。

儲能已經(jīng)不是新技術(shù)了，早在1930年，美國麻省米爾福德（New Milford）附近的康涅狄格州電力公司（Connecticut Electric and Power Company）首次通過抽水儲能，通過將Housatonic River中的水抽水到位于河上230英尺的蓄水池來儲存多余的電能。如今，全球約96%的儲能來自同一類型的抽水技術(shù)（PHES）。

有各種各樣的技術(shù)可以用于儲存能源，其中幾種技術(shù)特別適用于儲存可再生能源。電化學蓄電池（特別是鋰離子電池），氧化還原液流電池，儲存氫能，熱力系統(tǒng)，泵送液體，甚至是閑置的電動汽車（EV）都有儲能技術(shù)。

讓我們看一看目前或即將投入商業(yè)使用的9種不同的儲能技術(shù)。結(jié)合這些系統(tǒng)，使可再生能源在未來幾年占據(jù)了電網(wǎng)的很大一部分，因此現(xiàn)在是了解這些技術(shù)的時候了。

鋰離子電池

當涉及到大規(guī)模電網(wǎng)儲能時，電化學蓄電池是具有多種優(yōu)勢。盡管最初的價格是昂貴的，但為電動汽車開發(fā)的鋰離子電池已經(jīng)將儲能價格從 12年前的每千瓦時1,000美元將至每千瓦時100美元。鋰離子電池不但具有非常高的能量密度而且重量輕，使其成為電動汽車以及電氣化運輸?shù)睦硐胍蛩兀@對于固定存儲系統(tǒng)來說這兩點顯得并不那么重要。

鋰離子電池不僅在回收儲存的能量效率在85%到90%之間，而且還可以成為峰值資源，幫助電網(wǎng)平穩(wěn)運行，特別是在用電高峰期間。

能量密度最高的鋰離子電池是以鎳基為陰極材料制成的，通常以鈷混合。這些都是昂貴且相對稀缺的材料。較低能量密度的鋰離子電池是由磷酸鐵為陰極材料制成的，我們稱為磷酸鐵電池。在未來，通過高能鎳和鈷陰極用于電氣化運輸，使用磷酸鐵化學用于固定儲存可能更有意義。鋰離子電池可以持續(xù)2,000至10,000次充放電循環(huán)，在電網(wǎng)應用中，鋰離子電池的壽命可維持大約10年。鋰離子電池在全球電網(wǎng)儲存市場中占90%以上。

鉛酸電池

在鋰離子電池普及之前，鉛酸電池被用于電力系統(tǒng)的儲能。鉛酸電池具有低能量密度，是鋰離子電池能量密度的1/4，循環(huán)壽命短，價格低廉且易于回收。能量密度在很多工業(yè)片區(qū)中的固定應用中顯得并不那么重要，對于鉛酸電池循環(huán)壽命的提高進行研究。鉛酸電池使用廉價且豐富的材料制成，可以在沒有鋰離子電池所需的復雜電池管理系統(tǒng)（BMS）的情況下運行，因此可能會再次使用在電網(wǎng)存儲應用中。

鋅混合電池

在電池技術(shù)的世界里，使用地球上豐富的材料來代替昂貴且稀缺的資源材料來制作電池。舉個例子，一種鋅混合物的材料受到了許多關(guān)注。

鋅混合動力技術(shù)有望為電網(wǎng)規(guī)模的解決方案提供專門制造的電池，因為鋅廣泛可用，而且比用其他材料制造鋰離子電池成本可以低很多。在鋅混合電池中，多孔陽極是由大量鋅顆粒形成的，而這些鋅顆粒在放電過程中被電解液飽和。羥基離子（Hydroxyl ions）進入鋅中形成鋅酸鹽，鋅酸鹽釋放電子，電子移動到陰極。鋅混合電池的總體回收儲存能量效率通常低于鋰電池，平均在65%至70%。

氧化還原液流電池

液流電池使用了一種與鋰離子電池完全不同的原理。液流電池將反應性電解液儲存在單獨的容器中，并將其泵送它們通過一個反應罐，該反應罐包含一堆惰性電極，這些惰性電極將電子剝離出來產(chǎn)生電能，而不是將電池的所有反應部分放在一個容器中。離子交換膜使兩種電解液在反應容器中彼此分離。液流電池容量僅與容納反應性液體的容器的大小有關(guān)。由于能量儲存在電解液內(nèi)，儲存容量的大小可以獨立于能量水平。

關(guān)鍵是這兩種電解溶液使用什么材料。他們必須形成氧化還原反應，還原是電子的增加，氧化是電子的流失。商業(yè)液流電池常用鋅和溴或釩流電池（VFB）中釩的各種氧化和還原狀態(tài)的組合。但是這些材料的成本是極其昂貴的。

液流電池總體回收儲存能量效率在60%至85%之間，因為電池容量僅僅取決于存儲電解液容器大小，因此可以一次運行數(shù)小時甚至數(shù)天。

氫能儲存

太陽能電池或風力渦輪機產(chǎn)生的多余電能可用于電解過程將水分解成氫氣和氧氣。氫氣可以被壓縮和儲存，當需要釋放儲存的能量時，通過燃料電池，氫氣可以與空氣中的氧氣結(jié)合，形成水蒸氣，并將電子釋放回到電網(wǎng)。

由于燃料電池回收儲存能量效率在60%左右，當氫氣被壓縮時，會消耗能量，氫能儲存能量的總體效率在25%至45%之間，大大低于使用鋰離子電池或液流電池儲存能量的效率。

氫氣燃料電池的價格很高，電極使用貴金屬鉑。他們在電信傳送、數(shù)據(jù)中心、信用卡處理等關(guān)鍵設(shè)施的主電源和備用電源發(fā)現(xiàn)這種材料。

熱管理

通過加熱儲存太陽能量的熱材料（如巖石或其他材料）產(chǎn)生的電能代替光伏板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。這些材料可以根據(jù)儲存熱量的能力來被選擇，或者可以通過改變質(zhì)量來儲存能量，例如熔巖。從熱力系統(tǒng)中提取能量，水可以被泵送通過，轉(zhuǎn)換成蒸汽，利用蒸汽可以驅(qū)動連接在發(fā)電機上的渦輪機發(fā)電。

熱系統(tǒng)可以儲存大量的能量，根據(jù)使用的系統(tǒng)類型，回收儲存能量效率高達80%至90%。

抽水蓄能

利用抽水蓄能（PHES）裝置，在低成本或高可再生能源時期產(chǎn)生的電力用于將水抽到更高的高度進行儲存。當電力被需要時，水被釋放到更低的水池中，通過渦輪機發(fā)電。抽水蓄能儲能既可以使用像河流這樣的自由流動的水源，還可以通過閉環(huán)系統(tǒng)在人工湖泊中取水。

抽水蓄能成本幾乎比任何一種儲能方法都要便宜，特別是在大量能源需要被儲存時。抽水蓄能水力發(fā)電在整個循環(huán)中儲存能量效率超過80%，而且這些裝置通?？梢蕴峁?shù)小時甚至數(shù)天的電力。

抽水蓄能是一種長期投資，通常為3至5年。一旦系統(tǒng)建成，可提供超過50年的服務(wù)。如今，大約96%的全球能源儲存都來自某種抽水儲能裝置。

壓縮空氣

通過壓縮空氣儲存能量，再通過泵送到密閉的地下空間內(nèi)儲存。當需要能源時，從地下密閉空間排出的空氣通過管道流回發(fā)電廠，將其加熱至膨脹，從而轉(zhuǎn)動發(fā)動機。加熱的過程通常使用天然氣，這期間會釋放溫室氣體（GHGs），增加該過程的成本。當壓縮空氣產(chǎn)生的熱量被保留時，該系統(tǒng)的儲存能量效率可以達到70%，否則儲存能量效率僅在42%至55%之間。目前有兩種正在運行的壓縮空氣儲存裝置：一個位于美國東南部的阿拉巴馬州的McIntosh，一個位于德國的亨托夫市。McIntosh工廠建立于1991年，能夠儲存110兆瓦時（MWh）。德克薩斯州的Anderson正在建設(shè)一座317兆瓦時的發(fā)電廠。

電動汽車（EV）

上百萬輛電動汽車行駛，大多數(shù)車輛在一天之內(nèi)多數(shù)處于停放狀態(tài)。每輛電動汽車都有一個相當大的鋰離子電池，可以通過一種叫做車輛到電網(wǎng)（V2G）的方法用于電網(wǎng)儲能。將電動汽車接入電網(wǎng)，可再生能源產(chǎn)生的額外的能源可以輸出并儲存在電動汽車中。如果在突然需要能源來穩(wěn)定電網(wǎng)時（例如在高峰時間），電動汽車中的能源可以被送回電網(wǎng)。

盡管V2G聽起來很有意思，但也有很多反對的聲音。主要的反對意見是鋰離子電池在使用壽命周期內(nèi)只能進行有限次數(shù)的充放電循環(huán)。有限次數(shù)的充放電循環(huán)對于電動汽車的普通使用是足夠的，但是電網(wǎng)中增加額外的循環(huán)次數(shù)或許會縮短電動汽車電池的預期壽命。電動汽車的擁有者也有同樣的擔心，盡管他們的車充電了一整天，但如果電網(wǎng)一直吸收能量，他們的車仍然無法到達滿電狀態(tài)。2020年，大眾汽車表示采用雙向充電技術(shù)推進V2G。

（來源：新能源和儲能）